CN115539146A - 一体化鼠笼弹性支承及轴向力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化鼠笼弹性支承，包括安装边、环形结构的支撑筒、若干个L型弹条和一体化轴承外环，安装边和一体化轴承外环分别设置在一体化结构的两端部，支撑筒设置在安装边的内侧，若干个L型弹条设置在支撑筒与一体化轴承外环之间，若干个L型弹条沿支撑筒的周向均匀布置，L型弹条的水平段的壁面上靠近L型弹条的竖直段处粘贴有应变片一，L型弹条的水平段壁面上靠近支撑筒的位置处粘贴有应变片二，应变片一和应变片二串联形成全桥并引出四个测量线用于轴向力测量；本发明还公开了一种轴向力测量方法。本发明可解决现有一体化鼠笼弹性支承轴向力测量方式中存在的对鼠笼弹性支承产生不利影响及灵敏度、测量精度均较低的技术问题。

Description

一体化鼠笼弹性支承及轴向力测量方法

技术领域

本发明涉及发动机转子支承技术领域，特别地，涉及一种一体化鼠笼弹性支承。此外，本发明还涉及一种包括上述一体化鼠笼弹性支承的轴向力测量方法。

背景技术

鼠笼弹性支承在中小型航空发动机转子支承系统中广泛使用，它能有效降低转子越过临界转速时的振动，保证转子正常工作。发动机工作时，压气机转子产生向前的轴向力，涡轮转子产生向后的轴向力。转子轴向力必须维持在合适的范围内，过大的轴向力会造成轴承过载损坏，过小的轴向力则会引起轴承轻载打滑。因此在发动机工作中，需要进行转子轴向力测量以确保发动机的安全可靠工作。

在现有的航空发动机转子轴向力测量中，测力环被安装在鼠笼弹性支承的轴承腔内，测力环的一侧抵靠鼠笼弹性支承的轴承腔挡边，一侧抵靠轴承外环。轴承外环与鼠笼弹性支承的轴承腔内壁之间存在间隙，在转子轴向力作用下轴承与鼠笼弹性支承可相对移动，使得测力环发生变形以实现对转子轴向力的测量。因此，基于测力环的转子轴向力测量方式只适用于鼠笼弹性支承与轴承为分体结构的情形，而不适用于鼠笼弹性支承与轴承为一体化结构的情形。对于鼠笼弹性支承与轴承为一体化结构，现有报道中有两种轴向力的测量方式：①在弹条上粘贴应变片的方式；②对鼠笼弹性支承加工轴向力测量部的方式；但是，它们不免还存在各自的局限性：对于第一种轴向力测量方式，存在轴向力测量误差较大、灵敏度不高的问题；对于第二种轴向力测量方式，在鼠笼弹性支承上加工轴向力测试部，在轴向力测试部的倾斜连接部或者U型结构底部粘贴单个应变片，在弹性支承承受轴向载荷时，这两个部位粘贴的单个应变片所感受的应变太小，导致轴向力测试灵敏度太低，测试误差太大，甚至在工程上根本无法使用(特别是在小载荷情况)，同时弹性支承的所承受的径向载荷也同时会被应变片所感受，即应变片所测量的应变为轴向力和径向力产生的综合变形。

为解决一体化鼠笼弹性支承的转子轴向力测量难题，需进行一体化鼠笼弹性支承的适应性设计，使其既具有传统鼠笼弹性支承调节临界转速的作用，又具有转子轴向力测量功能，同时结构设计合理，工程实用性和可靠性强。

发明内容

本发明提供了一种一体化鼠笼弹性支承及轴向力测量方法，以解决现有一体化鼠笼弹性支承轴向力测量方式中存在的对鼠笼弹性支承产生不利影响及灵敏度、测量精度均较低的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种一体化鼠笼弹性支承，包括安装边、环形结构的支撑筒、若干个L型弹条和一体化轴承外环，所述安装边、支撑筒、若干个L型弹条和一体化轴承外环组成一体化结构，所述安装边和一体化轴承外环分别设置在一体化结构的两端部，所述一体化轴承外环内设有用于与轴承内环配合使用的滚珠跑道，所述支撑筒设置在安装边的内侧，若干个所述L型弹条设置在支撑筒与一体化轴承外环之间，若干个L型弹条沿支撑筒的周向均匀布置并围合形成环形结构，所述L型弹条的水平段的壁面上靠近L型弹条的竖直段处粘贴有四个应变片一，一个L型弹条的水平段的壁面上只设有一个应变片一，所述L型弹条的水平段壁面上靠近支撑筒的位置处粘贴有四个应变片二，一个L型弹条的水平段的壁面上只设有一个应变片二，所述应变片一与应变片二一对一配套设置，L型弹条的水平段的壁面上周向位置相对的两个应变片一形成一个桥臂，L型弹条的水平段的壁面上周向位置相对的两个应变片二形成一个桥臂，应变片一和应变片二处于不同(即相邻)桥臂上，不同桥臂上的应变片一和应变片二感受到的应变方向相反，应变片一两两串联形成两个应变片一组，应变片二两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线用于轴向力测量。

作为上述技术方案的进一步改进：所述L型弹条竖直段的长度大于L型弹条水平段的长度。

进一步地，四个所述应变片一均匀分布在若干个L型弹条的水平段形成的圆周上，四个所述应变片二均匀分布在若干个L型弹条的水平段形成的圆周上。

进一步地，所述应变片一和与其配套设置的应变片二位于L型弹条的水平段同侧的壁面上，且应变片一和与其配套设置的应变片二位于同一个L型弹条的水平段上。

进一步地，所述支撑筒的半径小于L型弹条转折处所在圆环的半径。

进一步地，所述支撑筒的半径与L型弹条转折处所在圆环的半径之间的差值为8～12mm。

进一步地，所述L型弹条的竖直段的外侧面与一体化轴承外环外侧面共面。

进一步地，所述一体化鼠笼弹性支承的径向刚度为K_J，

其中，n为L型弹条(3)的个数，E为材料弹性模量，b为L型弹条(3)的宽度，h为L型弹条(3)的厚度，l₁为L型弹条(3)的竖直段的长度，l₂为L型弹条(3)的水平段的长度；所述一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度为K_Z，K_Z＝nEb²h²/l₂ ³，其中，n为L型弹条(3)的个数，E为材料弹性模量，b为L型弹条(3)的宽度，h为L型弹条(3)的厚度，l₂为L型弹条(3)的水平段的长度。

进一步地，所述支撑筒上设有用于捆绑测量线的绑线孔，所述测量线通过绑线孔捆绑固定在支撑筒上。

进一步地，所述应变片一组中的两个应变片一为两个位置相对的L型弹条的水平段上的应变片一，所述应变片二组中的两个应变片二为两个位置相对的L型弹条的水平段上的应变片二。

根据本发明的另一方面，还提供了一种轴向力测量方法，包括上述所述的一体化鼠笼弹性支承，且包括如下步骤：

S1、将四个应变片一和四个应变片二分别粘贴至L型弹条水平段的壁面上相应位置处，一个L型弹条水平段的壁面上只粘贴有一个应变片一和一个应变片二，并将应变片一两两串联形成两个应变片一组，应变片二两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线，将四个测量线接入动态应变测量仪；

S2、对所述的一体化鼠笼弹性支承进行轴向力测量标定，将所述的一体化鼠笼弹性支承固定在标定平台上，在一体化轴承外环上施加等载荷间距的轴向载荷F，记录动态应变测量仪中的输出应变值ε，通过线性拟合得到轴向力标定公式F＝kε+b，其中b为常数，求出标定系数k，当线性相关系数的平方大于0.99时，所得到的k值满足要求。

S3、通过安装边将一体化鼠笼弹性支承安装至支撑转子的安装座上，并使一体化轴承外环的滚珠跑道通过滚珠和保持架套设在轴承内环上，向转子轴施加轴向力F＇，在轴向力F＇的作用下，应变片一和应变片二同时感受到压应变/拉应变，且应变片一和应变片二上感受到的应变方向相反，分别用正、负号来区分向前的轴向力和向后的轴向力；

S4、通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向力F＇的方向，通过应变片全桥输出应变ε＇的大小并经F＇＝kε＇换算后准确获得转子轴向力F＇的大小。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的一体化鼠笼弹性支承通过设置L型弹条，包括两种应变片，即应变片一和应变片二，应变片一和应变片二分别粘贴在L型弹条的水平段的壁面上靠近L型弹条的竖直段处、L型弹条的水平段壁面上靠近支撑筒的位置处，由于L型弹条的水平段的壁面上靠近L型弹条的竖直段处、L型弹条的水平段壁面上靠近支撑筒的位置处这两处实际受到的应变方向相反，当一处受到拉应变时，另一处必受到压应变，反之亦然，使应变片一和应变片二感受到的应变方向相反，由于位于不同的L型弹条的水平段壁面上的应变片一/应变片二受到的应变方向不同、大小相同，可通过将位于相对位置上的L型弹条的水平段壁面上的应变片一两两串联、应变片二两两串联，应变片一/应变片二两两串联后同一桥臂上由径向力引起的桥路应变的输出值为零，进而来消除径向力的影响，再将应变片一组分别与应变片二组串联形成全桥并引出测量线用来测量轴向力，L型弹条水平段上的应变片全桥贴片和相应的引线方式(两种应变片串联后测量线的引出方式)，可以通过其输出应变的正负号判断转子轴向力的方向，L型弹条水平段(测力单元)在测量转子轴向力时可以有效消除由于转子不平衡等径向力的影响(当转子受到径向力时，同一桥臂上的应变方向相反，感受的应变互相抵消，如在同一个桥臂上的两个对称设置的应变片一在受到轴向载荷时，它们感受应变方向相同，均为压应变或者拉应变，而当受到径向载荷时，二者感受的应变方向相反，一个为压应变，另一个为拉应变，二者相互抵消，桥臂上无因径向力引起的应变输出，故可以消除径向力的影响)，从而提高转子轴向力测量准确性，应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向力测量的不利影响(由于是全桥接线，所有应变片均接入桥路，各个应变片的温度始终相同，为一体化鼠笼弹性支承的工作环境温度，所以它们因温度变化所引起的电阻值的变化也相同，又因为应变片一、应变片二相互处于电桥相邻的两臂，所以并不产生电桥的输出电压，从而使得温度效应的影响被消除)，提高L型弹条水平段(测力单元)的转子轴向力测量精度，L型弹条水平段承受的转子轴向力与测量的应变之间存在很好的线性关系，转子轴向力测量效果好，可保证测得的轴向力的精确性较高；

(2)本发明的一体化鼠笼弹性支承既具有传统鼠笼弹性支承调节转子系统临界转速的作用，同时还可以测量转子的轴向力的功能，本发明的一体化鼠笼弹性支承的径向刚度由L型弹条的尺寸决定，同时相比于现有在弹条上直接粘贴应变片的方式，L型弹条结构在承受轴向载荷时L型弹条水平段有较大的应变响应，从而可大幅提高应变-轴向力测量的灵敏度，可以通过调节L型弹条的个数、长度、宽度、厚度来控制L型弹条的径向刚度和轴向刚度，使其满足动力学设计、强度设计等要求，同时确保L型弹条水平段(测力单元)有很高的应变-轴向力测量的灵敏度(L型弹条的轴向刚度越小，应变-轴向力测量越灵敏，反之越不灵敏；L型弹条的径向刚度和轴向刚度设计要综合考虑转子的动力学设计、L型弹条的强度设计及转子轴向力测量等各方面的要求)，可使轴向力的测量方式不会对一体化鼠笼弹性支承产生不利影响；

(3)本发明的一体化鼠笼弹性支承设置了四个应变片一和四个应变片二，便于将四个应变边一和四个应变片二均匀设置在L型弹条均匀排布形成的圆周上的各个L型弹条水平段上(不同方向上)，并通过将应变片一与应变片二的个数相同且一对一配套设置同一个L型弹条的水平段的壁面上形成一个桥臂，可以测量到不同方向上的轴向力数据，可保证测得的轴向力数据的灵敏度及测量精度均较高；

(4)本发明的轴向力测量方法将四根测量线接入动态应变测量仪，通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向力的方向，通过应变片全桥输出应变的大小并经换算后准确获得转子轴向力的大小，可以得到转子实际工作中的轴向力，测量过程操作简单、省时，且测量精度较高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的一体化鼠笼弹性支承的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是图1中的B-B剖视图；

图4是本发明优选实施例的应变片一和应变片二组成的全桥结构示意图。

图例说明：

1、安装边；2、支撑筒；21、绑线孔；3、L型弹条；4、一体化轴承外环；41、滚珠跑道；5、应变片一；6、应变片二；7、测量线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1至图4所示，本实施例的一体化鼠笼弹性支承，包括安装边1、环形结构的支撑筒2、若干个L型弹条3和一体化轴承外环4，安装边1、支撑筒2、若干个L型弹条3和一体化轴承外环4组成一体化结构，安装边1和一体化轴承外环4分别设置在一体化结构的两端部，一体化轴承外环4内设有用于与轴承内环配合使用的滚珠跑道41，支撑筒2设置在安装边1的内侧，若干个L型弹条3设置在支撑筒2与一体化轴承外环4之间，若干个L型弹条3沿支撑筒2的周向均匀布置并围合形成环形结构，L型弹条3的水平段为测力单元，在转子轴向力作用下，作为测力单元的L型弹条3水平段发生弹性变形，L型弹条3水平段的内壁面靠近L型弹条3垂直段的位置产生压应变/拉应变，靠近支撑筒2的位置产生拉应变/压应变，两处位置产生的应变方向相反，L型弹条3的竖直段为支承单元，L型弹条3的水平段的内壁面上靠近L型弹条3的竖直段处粘贴有4个应变片一5，分别为R50、R51、R52和R53，一个L型弹条3的水平段的壁面上只设有一个应变片一5，L型弹条3的水平段内壁面上靠近支撑筒2的位置处粘贴有4个应变片二6，分别为R54、R55、R56和R57，一个L型弹条3的水平段的壁面上只设有一个应变片二6，应变片一5与应变片二6一对一配套设置，L型弹条3的水平段的壁面上周向位置相对的两个应变片一5形成一个桥臂，L型弹条3的水平段的壁面上周向位置相对的两个应变片二6形成一个桥臂，应变片一5和应变片二6处于不同(即相邻)桥臂上，不同桥臂上的应变片一5和应变片二6感受的应变方向相反，应变片一5和与其配套设置的应变片二6位于L型弹条3的水平段同侧的壁面上，且应变片一5和与其配套设置的应变片二6位于同一个L型弹条3的水平段上，应变片一5两两串联(R50和R51串联、R52和R53串联)形成2个应变片一组，应变片二6两两串联(R54和R55串联、R56和R57串联)形成2个应变片二组，2个应变片一组分别与2个应变片二组串联(R50和R57串联、R51和R54串联、R52和R55串联、R53和R56串联)形成全桥并引出4个测量线7用于轴向力测量。

本实施例中，如图2和图4所示，通过理论分析和有限元计算后确定粘贴应变片的8个位置，以90°的间隔将应变片一5中的R50、R51、R52、R53对称粘贴在L型弹条3水平段内壁面靠近L型弹条3垂直段的位置，将应变片二6中的R54、R55、R56、R57粘贴在L型弹条3水平段内壁面靠近支撑筒2的位置，测量L型弹条3水平段在转子轴向力作用下的压应变/拉应变。如图4所示，将同在L型弹条3水平段内壁面靠近L型弹条3垂直段的位置感受压应变/拉应变，将应变片一5中的R50和R51串联、R52和R53串联；将同在L型弹条3水平段内壁面靠近支撑筒2的位置感受拉应变/压应变的应变片二6中的R54和R55串联、R56和R57串联。将应变片R50和R57串联、R51和R54串联、R52和R55串联、R53和R56串联组成全桥后分别引出4根测量线7，使用热缩管将4根测量线7集束后通过绑线孔21捆绑固定在支撑筒2上。

上述的一体化鼠笼弹性支承的径向刚度为K_J，

其中，n为L型弹条(3)的个数，E为材料弹性模量，b为L型弹条(3)的宽度，h为L型弹条(3)的厚度，l₁为L型弹条(3)的竖直段的长度，l₂为L型弹条(3)的水平段的长度；所述一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度为K_Z，K_Z＝nEb²h²/l₂ ³，其中，n为L型弹条(3)的个数，E为材料弹性模量，b为L型弹条(3)的宽度，h为L型弹条(3)的厚度，l₂为L型弹条(3)的水平段的长度。

本实施例中，支撑筒2上设有两个用于捆绑测量线7的绑线孔21，测量线7通过绑线孔21捆绑固定在支撑筒2上，可便于测量线的收集，避免测量线的存在受转子轴转动的影响而影响测量结果的精确性。

本实施例中，组成全桥的单个应变片的电阻为120Ω，输出的4根测量线两两之间的电阻为180Ω(对应图4中的AB、BC、CD、DA之间)或240Ω(对应图4中的AC、BD之间)，可以通过测试电阻值来判断串联线是否有接触不良而导致的没有实际串联以及测量线断路、短路等现象，可保证在进行轴向力测量时，测量线及8个应变片之间的连线可靠性较高，不会因接触不良、断路、短路等现象而无法实施轴向力测量或者影响测量结果的精确性。

本实施例中，应变片一组中的两个应变片一5为两个位置相对的L型弹条3的水平段上的应变片一5，应变片二组中的两个应变片二6为两个位置相对的L型弹条3的水平段上的应变片二6，在径向力作用下，应变片R50和R51的应变方向相反且大小相同，应变片R52和R53的应变方向相反且大小相同，应变片R54和R55的应变方向相反且大小相同，应变片R56和R57的应变方向相反且大小相同，通过将R50和R51串联、R52和R53串联、R54和R55串联、R56和R57串联，可以起到相互抵消径向力引起的桥路应变输出的效果，使径向力呈现无输出的状态，可有效消除径向力的存在对轴向力测量结果的影响，使轴向力的测量结果精确性较高。

由于组成应变片全桥同一个桥臂上的应变片一5和应变片二6分别粘贴在L型弹条3水平段内壁面的中心轴对称位置，在轴向力作用下均同时感受压应变/拉应变，因此在转子轴向力作用下应变片全桥可以正常输出应变值。当一体化鼠笼弹性支承受到径向力时，应变片全桥同一个桥臂上的两个应变片一个感受拉应变，另一个感受压应变，则应变片全桥同一个桥壁上由径向力引起的应变输出为0，例如通过将R50和R51串联、R52和R53串联、R54和R55串联、R56和R57串联，实现无径向力引起的应变输出的效果，使得L型弹条3水平段(测力单元)在测量转子轴向力时可以有效消除径向力的干扰，确保转子轴向力测量的准确性。应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向力测量的不利影响，提高L型弹条3水平段(测力单元)的转子轴向力测量灵敏度。

本实施例中，将4根测量线接入动态应变测量仪，对一体化鼠笼弹性支承进行轴向力测量标定，获得有关轴向力和应变的标定系数，通过该标定系数和应变测量，可以得到转子实际工作中的轴向力。当转子受到向前/往后的轴向力时，应变片一5中的R50、R51、R52、R53感受压应变/拉应变和应变片二6中的R54、R55、R56、R57感受拉应变/压应变，应变片全桥输出正的/负的应变值。根据应变片全桥输出应变的正负号判断转子轴向力的方向，应变片全桥输出应变的大小并经换算后准确获得转子轴向力的大小。

本实施例中，L型弹条3竖直段的长度大于L型弹条3水平段的长度，因为所设计的一体化鼠笼弹性支承的刚度主要由弹条3尺寸决定，而一体化鼠笼弹性支承最关心的两个功能是调节临界转速和测量轴向力。调节临界转速功能主要由一体化鼠笼弹性支承的径向刚度决定，测量轴向力功能要求一体化鼠笼弹性支承在轴向载荷作用下可以产生轴向变形，并且可以测量出此轴向变形。一体化鼠笼弹性支承的轴向变形由其轴向刚度决定。为了避免转子运行过程中，在轴向载荷作用下轴向变形过大，造成转静子碰摩等问题，所以一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度(一般在1*10⁷～1*10⁸N/m范围)不能大小，起码要保证比其径向刚度大，因为径向刚度决定了一体化鼠笼弹性支承的支撑、减振和临界转速调节能力，径向刚度不能太大和太小，一般径向刚度在1*10⁶～1*10⁷N/m范围。根据刚度计算公式，在L型弹条3竖直段和水平段的其它参数如L型弹条3的个数、宽度、厚度一致的情况下，只有L型弹条3的长度来决定L型弹条3竖直段和水平段的刚度大小。为了保证一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度大于其径向刚度。一般径向刚度在1*10⁶～1*10⁷N/m范围，一般轴向刚度在1*10⁷～1*10⁸N/m范围，在二者其它参数一致的前提下，只能通过改变二者的长度来改变其刚度。

本实施例中，支撑筒2的半径小于L型弹条3转折处所在圆环的半径，L型弹条3具有径向刚度和轴向刚度的双重效果，L型弹条3的径向刚度跟传统鼠笼弹性支承弹条的径向刚度效果相同，为调节临界转速、减振和支撑转子。L型弹条3的轴向刚度的作用是保证一体化鼠笼弹性支承在轴向载荷作用下能产生变形但变形不能太大也不能太小，轴向变形太大容易造成转静子碰摩，轴向变形太小，轴向力测量又不灵敏，所以轴向刚度要保持在合适范围内，且轴向刚度要比径向刚度大。所以需要设计成L型弹条3的形状，且L型弹条3的竖直段长度大于其水平段长度，参照图1和图2。有两种方法保证L型弹条的形式，一种即本实施例的图1和图2的L型弹条3的水平段朝内的形式，第二种则是L型弹条3的水平段朝外的形式，但是第二种形式会造成支撑筒2的直径大于L型弹条3转折处所在圆环的直径，同时安装边1的直径也大大增大了，故不太符合实际一体化鼠笼弹性支承的安装边尺寸受限的要求。

本实施例中，支撑筒2的半径与L型弹条3转折处所在圆环的半径之间的差值为8～12mm为宜，二者半径差值过小，容易造成轴向刚度过大，轴向力测量不灵敏；二者半径差值过大，容易造成轴向刚度过小，轴向变形大，容易发生转静子碰摩现象。

本实施例中，L型弹条3的竖直段的外侧面与一体化轴承外环4外侧面共面，为了保证L型弹条3的竖直段的外侧面与一体化轴承外环4外侧面尺寸一致，二者外侧面没有形状突兀，过渡平稳，同时受限于L型弹条3的厚度不厚(一般3mm左右)，实际一体化鼠笼弹性支承的L型弹条3的竖直段的外侧面与一体化轴承外环4的外侧面尺寸一般也只能保持一致比较好。

在航空发动机工作过程中，压气机转子压缩气体做功使得气体压比增大，气体反过来对叶片有向前的反作用力，该反作用力通过转子作用在轴承上。气体推动涡轮叶片做功，涡轮转子受到向后的作用力。对于航空发动机而言，转子轴向载荷是作用在压气机转子上向前的轴向载荷和作用在涡轮转子上向后的轴向载荷的合力。转子的轴向载荷必须控制在一定范围内，既不能太大也不能太小，更不能频繁换向，以免损坏轴承。因此，在发动机研制过程中，需要测量转子的轴向载荷，以确保发动机转子的安全可靠工作。

本实施例的一体化鼠笼弹性支承既具有传统鼠笼弹性支承调节转子系统临界转速的作用，同时还可以测量转子的轴向力的功能，一体化鼠笼弹性支承的径向刚度由L型弹条3的尺寸决定，同时相比于在弹条上直接粘贴应变片的方式，L型弹条3结构在承受轴向载荷时L型弹条3水平段有较大的应变响应，从而可大幅提高应变-轴向力测量的灵敏度。可以通过调节L型弹条3的个数、长度、宽度、厚度来控制L型弹条3的径向刚度和轴向刚度，使其满足动力学设计、强度设计等要求，同时确保L型弹条3水平段(测力单元)有很高的应变-轴向力测量的灵敏度(L型弹条的轴向刚度越小，应变-轴向力测量越灵敏，反之越不灵敏；L型弹条的径向刚度和轴向刚度设计要综合考虑转子的动力学设计、L型弹条的强度设计及转子轴向力测量等各方面的要求)。L型弹条3水平段上的应变片全桥贴片和引线方式，可以通过其输出应变的正负号判断转子轴向力的方向。L型弹条3水平段(测力单元)在测量转子轴向力时可以有效消除由于转子不平衡等径向力的影响，从而提高转子轴向力测量准确性。应变片全桥还可以有效消除应变片温度效应对于转子轴向力测量的不利影响，提高L型弹条3水平段(测力单元)的转子轴向力测量精度。L型弹条3水平段承受的转子轴向力与测量的应变之间存在很好的线性关系，转子轴向力测量效果好。

本实施例的轴向力测量方法，包括上述的一体化鼠笼弹性支承，且包括如下步骤：

S1、将四个应变片一5和四个应变片二6分别粘贴至L型弹条3水平段的壁面上相应位置处，一个L型弹条3水平段的壁面上只粘贴有一个应变片一5和一个应变片二6，并将应变片一5两两串联形成两个应变片一组，应变片二6两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出4个测量线7，将4个测量线7接入动态应变测量仪；

S2、对所述的一体化鼠笼弹性支承进行轴向力测量标定，将所述的一体化鼠笼弹性支承固定在标定平台上，在一体化轴承外环4上施加等载荷间距的轴向载荷F，记录动态应变测量仪中的输出应变值ε，通过线性拟合得到轴向力标定公式F＝kε+b，其中b为常数，求出标定系数k，当线性相关系数的平方大于0.99时，所得到的k值满足要求；

S3、通过安装边1将一体化鼠笼弹性支承安装至支撑转子的安装座上，并使一体化轴承外环4的滚珠跑道41通过滚珠和保持架套设在轴承内环上，当转子轴承受的轴向力为F＇，在轴向力F＇的作用下，应变片一5和应变片二6同时感受到压应变/拉应变，且应变片一5和应变片二6上感受到的应变方向相反，分别用正、负号来区分向前的轴向力和向后的轴向力；

S4、通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向力F＇的方向，通过应变片全桥输出应变ε＇的大小并经F＇＝kε＇换算后准确获得转子轴向力F＇的大小。

经仿真分析和实验验证表明，本实施例的轴向力测量方法由于采用L型弹条3水平段作为测力单元结构，具有较高的应变-轴向力测量灵敏度，满足带一体化鼠笼弹性支承结构的转子轴向力测量需求。本实施例的轴向力测量方法所采用的一体化鼠笼弹性支承具有与传统鼠笼弹性支承同等的径向刚度特性和调节转子系统临界转速的功能，不会出现其它一体化鼠笼弹性支承轴向力测量方式中存在的对鼠笼弹性支承产生不利影响的现象，可靠性也较高。

以上的一体化鼠笼弹性支承及轴向力测量方法，仅仅是以此结构为例，说明了本发明的具体设计与实施过程，并不限于L型弹条3等的具体结构，L型弹条3可以是等半径的也可以是非等半径的。应变片一5及应变片二6可以全部粘贴在L型弹条3水平段的内壁面，可以全部粘贴在L型弹条3水平段的外壁面，也可以一半粘贴在L型弹条3水平段的内壁面、另一半粘贴在L型弹条3水平段的外壁面。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改与变化(L型弹条3的结构形式、个数、长度、宽度及厚度、应变片粘贴位置、全桥引线方式等均可改变)凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，包括安装边(1)、环形结构的支撑筒(2)、若干个L型弹条(3)和一体化轴承外环(4)，所述安装边(1)、支撑筒(2)、若干个L型弹条(3)和一体化轴承外环(4)组成一体化结构，

所述安装边(1)和一体化轴承外环(4)分别设置在一体化结构的两端部，所述一体化轴承外环(4)内设有用于与轴承内环配合使用的滚珠跑道(41)，

所述支撑筒(2)设置在安装边(1)的内侧，若干个所述L型弹条(3)设置在支撑筒(2)与一体化轴承外环(4)之间，若干个L型弹条(3)沿支撑筒(2)的周向均匀布置并围合形成环形结构，

所述L型弹条(3)的水平段的壁面上靠近L型弹条(3)的竖直段处粘贴有四个应变片一(5)，一个L型弹条(3)的水平段的壁面上只设有一个应变片一(5)，所述L型弹条(3)的水平段壁面上靠近支撑筒(2)的位置处粘贴有四个应变片二(6)，一个L型弹条(3)的水平段的壁面上只设有一个应变片二(6)，

所述应变片一(5)与应变片二(6)一对一配套设置，L型弹条(3)的水平段的壁面上周向位置相对的两个应变片一(5)形成一个桥臂，L型弹条(3)的水平段的壁面上周向位置相对的两个应变片二(6)形成一个桥臂，应变片一(5)和应变片二(6)处于不同桥臂上，不同桥臂上的应变片一(5)和应变片二(6)感受到的应变方向相反，应变片一(5)两两串联形成两个应变片一组，应变片二(6)两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线(7)用于轴向力测量。

2.根据权利要求1所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述L型弹条(3)竖直段的长度大于L型弹条(3)水平段的长度。

3.根据权利要求2所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

四个所述应变片一(5)均匀分布在若干个L型弹条(3)的水平段形成的圆周上，四个所述应变片二(6)均匀分布在若干个L型弹条(3)的水平段形成的圆周上。

4.根据权利要求1所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述应变片一(5)和与其配套设置的应变片二(6)位于L型弹条(3)的水平段同侧的壁面上，且应变片一(5)和与其配套设置的应变片二(6)位于同一个L型弹条(3)的水平段上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述支撑筒(2)的半径小于L型弹条(3)转折处所在圆环的半径。

6.根据权利要求5所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述支撑筒(2)的半径与L型弹条(3)转折处所在圆环的半径之间的差值为8～12mm。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述一体化鼠笼弹性支承的径向刚度为K_J，

其中，n为L型弹条(3)的个数，E为材料弹性模量，b为L型弹条(3)的宽度，h为L型弹条(3)的厚度，l₁为L型弹条(3)的竖直段的长度，l₂为L型弹条(3)的水平段的长度；所述一体化鼠笼弹性支承的轴向刚度为K_Z，K_Z＝nEb²h²/l₂ ³，其中，n为L型弹条(3)的个数，E为材料弹性模量，b为L型弹条(3)的宽度，h为L型弹条(3)的厚度，l₂为L型弹条(3)的水平段的长度。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述支撑筒(2)上设有用于捆绑测量线(7)的绑线孔(21)，所述测量线(7)通过绑线孔(21)捆绑固定在支撑筒(2)上。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的一体化鼠笼弹性支承，其特征在于，

所述应变片一组中的两个应变片一(5)为两个位置相对的L型弹条(3)的水平段上的应变片一(5)，所述应变片二组中的两个应变片二(6)为两个位置相对的L型弹条(3)的水平段上的应变片二(6)。

10.一种轴向力测量方法，其特征在于，包括上述权利要求1-9中任一项所述的一体化鼠笼弹性支承，且包括如下步骤：

S1、将四个应变片一(5)和四个应变片二(6)分别粘贴至L型弹条(3)水平段的壁面上相应位置处，一个L型弹条(3)水平段的壁面上只粘贴有一个应变片一(5)和一个应变片二(6)，并将应变片一(5)两两串联形成两个应变片一组，应变片二(6)两两串联形成两个应变片二组，两个应变片一组分别与两个应变片二组串联形成全桥并引出四个测量线(7)，将四个测量线(7)接入动态应变测量仪；

S2、对所述的一体化鼠笼弹性支承进行轴向力测量标定，将所述的一体化鼠笼弹性支承固定在标定平台上，在一体化轴承外环(4)上施加等载荷间距的轴向载荷F，记录动态应变测量仪中的输出应变值ε，通过线性拟合得到轴向力标定公式F＝kε+b，其中b为常数，求出标定系数k，当线性相关系数的平方大于0.99时，所得到的k值满足要求；

S3、通过安装边(1)将一体化鼠笼弹性支承安装至支撑转子的安装座上，并使一体化轴承外环(4)的滚珠跑道(41)通过滚珠和保持架套设在轴承内环上，当转子轴承受的轴向力为F＇，在轴向力F＇的作用下，应变片一(5)和应变片二(6)同时感受到压应变/拉应变，且应变片一(5)和应变片二(6)上感受到的应变方向相反，分别用正、负号来区分向前的轴向力和向后的轴向力；

S4、通过应变片全桥输出应变的正负号来判断转子轴向力F＇的方向，通过应变片全桥输出应变ε＇的大小并经F＇＝kε＇换算后准确获得转子轴向力F＇的大小。

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